W形火焰鍋爐水冷壁熱偏差分析

王　璞， 陳端雨， 楊　勇， 周文臺(tái)

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院， 上海 200240)

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W形火焰鍋爐水冷壁熱偏差分析

王璞， 陳端雨， 楊勇， 周文臺(tái)

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院， 上海 200240)

對(duì)超臨界壓力W形火焰鍋爐在不同負(fù)荷下的水冷壁熱偏差進(jìn)行計(jì)算并分析。結(jié)果顯示：高負(fù)荷和低負(fù)荷都會(huì)使水冷壁管子產(chǎn)生較大的熱偏差，機(jī)組在450 MW負(fù)荷下熱偏差相對(duì)較??；前后墻大部分情況下中間部分熱偏差系數(shù)較大，兩側(cè)較??；左右墻熱偏差系數(shù)分布均勻或者靠近前墻部分稍高；對(duì)各個(gè)爐墻面來(lái)說(shuō)，工質(zhì)的平均焓增隨著機(jī)組負(fù)荷的升高而減小；前后墻水冷壁管子平均吸熱量高于左右墻。

超臨界壓力； 鍋爐； W形火焰； 水冷壁； 熱偏差

我國(guó)無(wú)煙煤儲(chǔ)量豐富，分布廣泛，W形火焰鍋爐適合燃燒無(wú)煙煤；因此，W形火焰鍋爐在我國(guó)燃煤鍋爐中占到了相當(dāng)?shù)谋壤?。水冷壁特性是超臨界壓力鍋爐的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)[1]。筆者通過(guò)對(duì)超臨界壓力W形火焰鍋爐水冷壁的熱偏差進(jìn)行計(jì)算與分析，希望對(duì)該類鍋爐的運(yùn)行和設(shè)計(jì)提供借鑒。

1　試驗(yàn)鍋爐及測(cè)點(diǎn)布置

該試驗(yàn)鍋爐采用П形布置、單爐膛、尾部雙煙道、全鋼架、懸吊結(jié)構(gòu)，燃燒器布置在前后拱上，W形火焰燃燒方式。燃燒器布置順序見(jiàn)表1。

表1　燃燒器的布置

上爐膛為長(zhǎng)方形，下?tīng)t膛為八角形。由于爐膛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法采用螺旋管圈水冷壁結(jié)構(gòu)，所以采用低質(zhì)量流速垂直管圈技術(shù)。

下?tīng)t膛分成兩部分，冷灰斗部分成四角形，冷灰斗向上到爐拱之間的部分為八角形，兩部分間通過(guò)異形三叉管連接。上爐膛為光管。

爐膛被中間混合過(guò)渡集箱分成上下兩部分，下?tīng)t膛熱負(fù)荷較高，故采用優(yōu)化型內(nèi)螺紋管用以強(qiáng)化傳熱。在下?tīng)t膛設(shè)置有壓力平衡集箱(分別布置于23.4 m、28 m、36 m 標(biāo)高處)，用于平衡各水冷壁管之間的壓力，避免在低負(fù)荷時(shí)可能出現(xiàn)的脈動(dòng)。

水冷壁上部出口處管壁溫度測(cè)點(diǎn)在前墻和后墻各有41個(gè)，左墻和右墻各有19個(gè)。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

鍋爐受熱面是以平行管構(gòu)成的管組、管屏方式布置的。在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，各平行管中工質(zhì)的吸熱量是不同的。這種平行管中工質(zhì)焓增不均勻的現(xiàn)象稱為熱偏差，并把平行管中偏差管內(nèi)工質(zhì)的焓增Δi和整個(gè)平行管組工質(zhì)的平均焓增Δim之比稱為熱偏差系數(shù)，簡(jiǎn)稱熱偏差：

(1)

式中：Δi為單根水冷壁管子中工質(zhì)的焓增，kJ/kg；Δim為所有測(cè)量的120根水冷壁管子中工質(zhì)的平均焓增，kJ/kg。

由于省煤器出口處工質(zhì)的壓力、溫度，水冷壁出口處工質(zhì)的溫度已經(jīng)測(cè)出，所以單根水冷壁管子的焓增為水冷壁出口工質(zhì)焓值與入口工質(zhì)焓值之差。

Δi=iout-iin

(2)

2.1 不同負(fù)荷下的水冷壁管子的熱偏差

圖1是鍋爐在331 MW負(fù)荷，A、B、C、D磨煤機(jī)運(yùn)行下，各水冷壁管的熱偏差系數(shù)分布。

在此工況下，主蒸汽壓力為14.13 MPa，主蒸汽溫度為560.67 ℃，主蒸汽流量為903.74 t/h，省煤器出口壓力為15.55 MPa，省煤器出口溫度為291.20 ℃，蒸汽焓值為1 290.58 kJ/kg。前墻最大熱偏差系數(shù)為1.25，最小為0.87，呈中間低兩頭高的趨勢(shì)；后墻最大熱偏差系數(shù)為1.17，最小為0.87，呈中間高兩頭低的趨勢(shì)；左墻最大熱偏差系數(shù)為0.97，最小為0.87，靠前墻部分稍高；右墻最大熱偏差系數(shù)為0.91，最小為0.86，分布比較均勻。A、D磨煤機(jī)運(yùn)行而另一側(cè)與之對(duì)應(yīng)的E、F磨煤機(jī)未運(yùn)行，造成前墻兩側(cè)吸熱較多而后墻中部吸熱較多?？傮w來(lái)說(shuō)，前墻中間部分水冷壁吸熱少而兩側(cè)吸熱多，后墻中間部分水冷壁吸熱多而兩側(cè)吸熱較少，左墻靠前墻側(cè)吸熱稍多，右墻吸熱均勻。前后墻吸熱略大于左右墻。水冷壁的吸熱比例同磨煤機(jī)運(yùn)行方式有密切關(guān)系。

圖2是鍋爐在400 MW負(fù)荷，A、B、C、D、E、F磨煤機(jī)運(yùn)行下，各水冷壁管的熱偏差系數(shù)分布。

在此工況下，主蒸汽壓力為17.30 MPa，主蒸汽溫度為568.08 ℃，主蒸汽流量為903.74 t/h，省煤器出口壓力為18.24 MPa，省煤器出口溫度為271.47 ℃，蒸汽焓值為1 189.53 kJ/kg。前墻最大熱偏差系數(shù)為1.25，最小為0.87，呈中間高兩頭低的趨勢(shì)；后墻最大熱偏差系數(shù)為1.14，最小為0.88，呈中間高兩頭低的趨勢(shì)；左墻最大熱偏差系數(shù)為1.10，最小為0.88，靠前墻部分稍高，靠后墻部分分布均勻；右墻最大熱偏差系數(shù)為1.02，最小為0.87，靠前墻部分稍高，靠后墻部分分布均勻。A、F磨煤機(jī)相較其他幾臺(tái)磨煤機(jī)投煤量小，前墻和后墻兩側(cè)負(fù)荷較低?？傮w來(lái)說(shuō)，前后墻中間部分水冷壁吸熱少而兩側(cè)吸熱多，左右墻靠前墻側(cè)吸熱稍多，靠后墻部分吸熱均勻。

圖3是鍋爐在450 MW負(fù)荷，A、B、C、D、F磨煤機(jī)運(yùn)行下，各水冷壁管的熱偏差系數(shù)分布。

在此工況下，主蒸汽壓力為18.81 MPa，主蒸汽溫度為566.33 ℃，主蒸汽流量為1 216.98 t/h，省煤器出口壓力為20.84 MPa，省煤器出口溫度為288.52 ℃，蒸汽焓值為1 274.08 kJ/kg。前墻最大熱偏差系數(shù)為1.15，最小為0.90，呈中間高兩頭低的趨勢(shì)；后墻最大熱偏差系數(shù)為1.16，最小為0.90，呈中間高兩頭低的趨勢(shì)；左墻最大熱偏差系數(shù)為0.91，最小為0.90，分布非常均勻；右墻最大熱偏差系數(shù)為1.04，最小為0.90，靠前墻部分稍高。此時(shí)，E磨煤機(jī)不運(yùn)行，F(xiàn)磨煤機(jī)相比其他幾臺(tái)磨煤機(jī)給煤量較小，可是仍然呈現(xiàn)中間部分熱負(fù)荷高，兩側(cè)熱負(fù)荷低的趨勢(shì)，說(shuō)明爐內(nèi)兩側(cè)火焰向中部?jī)A斜，造成中部熱負(fù)荷高的現(xiàn)象?？傮w來(lái)說(shuō)，前后墻中間部分水冷壁吸熱少而兩側(cè)吸熱多，左墻吸熱均勻，右墻靠前墻側(cè)吸熱稍多。

圖4是鍋爐在500 MW負(fù)荷，A、B、C、D、E、F磨煤機(jī)運(yùn)行下，各水冷壁管的熱偏差系數(shù)分布。

在此工況下，主蒸汽壓力為21.38 MPa，主蒸汽溫度為564.17 ℃，主蒸汽流量為1 295.85 t/h，省煤器出口壓力為22.86 MPa，省煤器出口溫度為296.84 ℃，蒸汽焓值為1 315.90 kJ/kg。前墻最大熱偏差系數(shù)為1.19，最小為0.87，呈中間高兩頭低的趨勢(shì)；后墻最大熱偏差系數(shù)為1.19，最小為0.84，呈中間高兩頭低的趨勢(shì)；左墻最大熱偏差系數(shù)為1.07，最小為0.83，靠前墻部分稍高；右墻最大熱偏差系數(shù)為1.02，最小為0.83，靠前墻部分稍高。A、F磨煤機(jī)相比其他幾臺(tái)磨煤機(jī)給煤量較小，中間部分熱負(fù)荷高?？傮w來(lái)說(shuō)，前后墻中間部分水冷壁吸熱少而兩側(cè)吸熱多，左右墻靠前墻側(cè)吸熱稍多。

圖5是鍋爐在600 MW負(fù)荷，A、B、C、D、E、F磨煤機(jī)運(yùn)行下，各水冷壁管的熱偏差系數(shù)分布。

在此工況下，主蒸汽壓力為24.02 MPa，主蒸汽溫度為568.40 ℃，主蒸汽流量為1 543.88 t/h，省煤器出口壓力為26.07 MPa，省煤器出口溫度為305.95 ℃，蒸汽焓值為1 361.58 kJ/kg。前墻最大熱偏差系數(shù)為1.23，最小為0.80，左側(cè)部分稍大；后墻最大熱偏差系數(shù)為1.20，最小為0.76，呈中間高兩頭低的趨勢(shì)；左墻最大熱偏差系數(shù)為1.10，最小為0.77，靠前墻部分稍高；右墻最大熱偏差系數(shù)為1.04，最小為0.80，中間部分稍高。A、F磨煤機(jī)相比其他幾臺(tái)磨煤機(jī)給煤量較小，兩側(cè)熱負(fù)荷較低，E1磨煤機(jī)給煤量最高，造成前墻爐內(nèi)火焰中稍向前墻左墻處偏斜，中部左側(cè)熱負(fù)荷較高。

2.2 不同負(fù)荷下的各個(gè)爐墻受熱面的熱偏差

計(jì)算各個(gè)爐墻面的平均焓增和熱偏差系數(shù)，見(jiàn)圖6和圖7。

從圖6中可知：前墻和后墻的平均焓增大于左墻和右墻的平均焓增。隨著負(fù)荷的升高，爐墻的平均焓增總體呈減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著壓力的升高，工質(zhì)汽化潛熱減小，同時(shí)爐膛輻射熱量的增加速度小于水冷壁流量的增加速度。

前后墻的熱偏差系數(shù)大于左右墻的熱偏差系數(shù)，說(shuō)明前后墻的熱負(fù)荷高于左右墻的熱負(fù)荷，這是由鍋爐的燃燒方式?jīng)Q定的。該鍋爐的燃燒方式是W形火焰燃燒，前后墻距離火焰中心較近，熱負(fù)荷較高，符合W形火焰鍋爐的燃燒機(jī)理。前墻熱偏差系數(shù)略高于后墻，說(shuō)明前墻熱負(fù)荷較高。隨著機(jī)組符合的變化，各個(gè)爐墻面熱偏差系數(shù)無(wú)規(guī)則變化，W形火焰鍋爐并非像四角切圓鍋爐隨著負(fù)荷升高而熱偏差減小[2]，充分說(shuō)明了W形火焰鍋爐爐內(nèi)燃燒情況的復(fù)雜。

3　結(jié)語(yǔ)

(1) 機(jī)組負(fù)荷改變，各個(gè)水冷壁管子的熱偏差系數(shù)也隨之改變。過(guò)高或者過(guò)低的負(fù)荷都會(huì)使水冷壁管子產(chǎn)生較大的熱偏差，機(jī)組在450 MW負(fù)荷下熱偏差相對(duì)較小。低負(fù)荷時(shí)，有些磨煤機(jī)不運(yùn)行，爐內(nèi)溫度較低，煤粉燃燒不充分，產(chǎn)生較大的熱偏差，水冷壁吸熱偏差同磨煤機(jī)運(yùn)行方式有密切關(guān)系。高負(fù)荷時(shí)，給煤量較大，爐內(nèi)溫度高，但爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)可能不穩(wěn)定，對(duì)火焰分布影響較大，出現(xiàn)較大的熱偏差。

(2) 前后墻在大部分情況下中間部分熱偏差系數(shù)較大，熱負(fù)荷較高，兩側(cè)部分熱偏差系數(shù)較小，熱負(fù)荷較低；極少數(shù)情況中間部分熱偏差系數(shù)較小，熱負(fù)荷較低，兩側(cè)部分熱偏差系數(shù)較大，熱負(fù)荷較高。左右墻熱偏差系數(shù)分布均勻或者靠近前墻部分稍高，這與磨煤機(jī)投運(yùn)方式和各臺(tái)磨煤機(jī)磨煤量有很大關(guān)系。

(3) 對(duì)各個(gè)爐墻面來(lái)說(shuō)，工質(zhì)的平均焓增隨著機(jī)組負(fù)荷的升高而減小，隨著壓力的升高，工質(zhì)汽化潛熱減??；同時(shí)爐膛輻射熱量的增加速度小于水冷壁流量的增加速度。前后墻水冷壁管子平均吸熱量高于左右墻。

[1] 俞谷穎,張富祥,陳端雨,等. 超(超)臨界壓力直流鍋爐垂直管圈水冷壁特性的研究[J]. 動(dòng)力工程,2009,29(3):205-209,227.

[2] 陳端雨,何翔,楊勇,等. 超臨界壓力塔式直流鍋爐螺旋管圈水冷壁吸熱偏差的試驗(yàn)研究[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2012,32(8):581-585.

Analysis on Thermal Deviation of W-flame Boiler Water Walls

Wang Pu, Chen Duanyu, Yang Yong, Zhou Wentai

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

The thermal deviation of water walls was calculated at different loads of a supercritical pressure W-flame boiler. Results show that large thermal deviation generates in the water wall at both high and low loads, and the thermal deviation is relatively small at the unit load of 450 MW; for the front and back wall, the thermal deviation coefficient is larger in the middle part while smaller at both sides in most cases; for the left and right wall, the thermal deviation coefficient distributes uniformly, or is just slightly higher in the area close to the front wall; for all the furnace walls, the average enthalpy rise of working medium declines with increasing unit load; the average heat absorption of front and back wall is higher than that of left and right wall.

supercritical pressure; boiler; W-flame; water wall; thermal deviation

2016-03-01

王璞(1988—)，男，助理工程師，研究方向?yàn)殄仩t水動(dòng)力及傳熱學(xué)。

E-mail: wangpu@speri.com.cn

TK222

A

1671-086X(2016)05-0299-05